空气板线合成器腔体谐振抑制方法研究

0 引 言

在雷达固态发射机的设计中，为了得到较高的输出功率，经常需要用到大功率合成器，其通常采用同轴线、空气板线、波导等结构。空气板线结构的合成器的腔体能够屏蔽外部电磁场对合成器电性能的影响，还能起到机械保护、环境保护和电性能的作用，但也可能引起谐振效应，恶化合成器的电性能。文献[1]比较详细地介绍了微带电路的屏蔽盒引起谐振时对电性能造成影响的机理及屏蔽盒尺寸的设计原则。文献[2]对微带电路的屏蔽盒中设置隔墙结构对电磁波传输的影响作了研究。文献[3]研究了双极化开槽天线阵列驻波畸点形成的原因和消除驻波畸点的方法。本文对腔体谐振机理和现有抑制方法进行分析，提出空气板线合成器腔体谐振的抑制方法，仿真分析了该方法对空气板线合成器电性能的影响，并给出设计原则和实例验证结果。

1 腔体谐振机理及常规抑制方法分析

在理想的无耗谐振腔内，任何电磁扰动一旦发生就永不停歇。当扰动频率恰使腔内的平均电能和平均磁能相等时便发生谐振。这个频率即为谐振频率。对于常见的矩形金属屏蔽盒，可以将其看作两端短路的波导，腔内的电磁场可以认为是波在腔壁上来回反射而形成的驻波场。当腔长等于某种模式的二分之一波导波长整数倍时，该模式发生谐振，称为谐振模[4]。

当腔体发生谐振时，内部电路的电性能会受到明显的影响。这是因为矩形金属腔体本身也是一种传输线。当金属腔体中按波导模式传输的波与内部电路传输的波的相速相同时，则会发生耦合，从而使传输线不再处于原来的工作模式，工作状态被破坏。

根据腔体谐振产生的机理，通常采用下列3种抑制方法：

(1) 增大或减小腔体的有效尺寸，使谐振频率偏离工作频带。该方法受限于空间和质量的限制。

(2) 在腔体内部加入吸波材料，将内部电路辐射的电磁波吸收掉，但会增加合成器的传输损耗。

(3) 在金属腔体上设计具有高阻抗特性的电磁带隙(EBG)结构。该结构在特定的频带内可使向传输线两侧传输的电磁波被抑制，从而避免在带内出现腔体谐振效应。但是，该方法适用于工作频率较高的封装结构。

2 空气板线合成器的隔离墙抑制谐振方法

根据腔体谐振的机理和常规抑制方法的分析，抑制空气板线合成器腔体谐振比较有效的方法就是沿着板线两侧加隔离墙，使空气板线结构逐渐向矩形同轴线结构变化。如图1所示，在板线两侧加隔离墙后就将板线周围的电磁场完全封闭在了隔离墙之间，大大压缩了谐振腔的有效尺寸，提高了谐振频率。

图1 加隔离墙后传输线的结构图

隔离墙不仅可以起到抑制腔体谐振的作用，同时还可以屏蔽两条板线之间的相互耦合。当合成器的输入端口靠的比较近时，需要隔离墙将板线隔开。因此，隔离墙有利于合成器的小型化。此外，隔离墙还可以起到结构支撑的作用，提高结构强度，因此有时也称隔离墙为加强筋。

2.1 隔离墙对板线特性阻抗的影响

隔离墙逐渐靠近板线会影响其周围电磁场的分布，导致板线的特性阻抗发生变化。当b/a≤0.5时，板线的特性阻抗可以利用厚度不为零的带状线的特性阻抗计算公式获得；当b/a>0.5时，板线的特性阻抗可以用矩形同轴线的特性阻抗近似计算公式获得[5]：

Z0=1/Cv

其中，C是矩形同轴线单位长度的近似分布电容，单位F/m；v是电磁波在自由空间中的传播速度，单位m/s。

通过矩形同轴线特性阻抗公式、软件仿真和查表[6] 这3种方法得到的板线特性阻抗Z0如图2所示。在h较大时，板线更接近带状线，所以用矩形同轴线公式计算的阻抗相比其他方法得到的阻抗偏小，此时电容近似值偏大。随着h逐渐减小，电容近似值更加准确，3种方法计算的结果逐渐接近。随着h的减小，Z0逐渐减小。当h小于9.25 mm(b/a=0.5)时，板线的特性阻抗开始快速下降。因此，隔离墙结构与板线的距离不能小于9.25 mm，以免影响板线特性阻抗，导致幅度分配不平衡。图1中的其他尺寸为调试的S波段合成器的实际尺寸，具体为2b=8d=0.16λ0，2c=0.135λ0，λ0为波导波长。

图2 板线Z0和Emax随h变化的结果

2.2 隔离墙对板线功率容量的影响

空气板线合成器的功率容量主要受空气的击穿电场强度制约。隔离墙结构会影响板线周围电场强度的最大值Emax。利用软件仿真(如图2所示)，在b/a≤0.5时Emax基本不变，在b/a>0.5时Emax开始变大。不过，Emax仍维持在相同数量级上。所以，当b/a>0.5时，板线仍可承受峰值为几百千瓦的输入功率。利用电磁计算软件对图3所示的合成器进行仿真。在输入峰值功率为20 kW的情况下，Emax=2.67×105 V/m，在合成端口处的矩形同轴线棱角上，此时b/a>0.5，且h=0.02λ0。 另外， 对图3所示的合成器进行大功率实验，在输入信号为峰值功率20 kW、平均功率2 kW的情况下，合成器未发生打火现象。综上所述，隔离墙对板线的功率容量没有太大影响。

图3 空气板线合成器的结构示意图

2.3 隔离墙对传输线传输模式的影响

对于空气板线结构，板线的宽度2c和腔体的高度2b均小于λmin/2即可满足TEM主模传输的条件。而当隔离墙靠近板线形成矩形同轴线结构时，第一阶高次模可能是TE10模或TE01模，当b/a=0.8时，即2b=0.16λ0，2a=0.2λ0，2c=0.135λ0，2d=0.064λ0，2g=0.12λ0时，查图1[7]可得第一阶高次模为TE01模，λc/2a=2.8，截止波长λc=0.56λ0，截止频率fc=5.36 GHz。因此，当b/a≤0.8时，S波段合成器仍可实现主模传输。

2.4 隔离墙的设计原则

调试时，要求隔离墙高度为2b，沿着板线两侧等间距放置，且与板线的距离保持a≥2b。

值得注意的是，要保证隔离墙与盖板之间良好的电接触。为此，隔离墙与盖板之间要通过均匀紧密排列的螺钉固定连接，避免出现缝隙，同时在隔离墙上表面距边沿0.5 mm处开适当尺寸的槽以放入直径2 mm左右的导电胶绳。这样既能保证隔离墙与盖板之间的电连接，又能起到一定的密封作用。

3 调试实例

为了验证该方法的有效性，对图3所示结构的S波段合成器进行了调试。

加工一些适当尺寸的金属块，尖角位置倒圆角，通过螺钉将其固定在腔体底板上，使谐振现象消失。图3中黑色的区域即代表调试后加入的金属块。

如图4和图5所示，调试后，消除了驻波和传输系数曲线的畸点，电性指标有明显改善。图4所示是合成端口0的驻波曲线，此时输入端口1～8均接同轴匹配负载。图5所示是合成端口0到输入端口1的传输系数曲线，此时其余输入端口2～8均接同轴匹配负载。

4 结束语

针对空气板线合成器腔体谐振引起工作频带内驻波和传输系数曲线出现若干畸点的问题，本文在分析了腔体谐振机理和现有抑制方法的基础上，提出了在板线两侧加隔离墙的调试方法。利用电磁场仿真软件详细分析了该方法对空气板线合成器电性能的影响，并给出了隔离墙的设计原则。最后通过对实物的调试，验证了该方法的有效性。

图4 调试前后的驻波曲线

图5 调试前后的传输系数曲线